Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Композиционные материалы

Голосов: 0

Обсуждаются подходы к созданию композиционных материалов на базе различных видов матриц. Рассмотрены особенности структуры и свойств различных типов композиционных материалов. Оцениваются перспективы применения композиционных материалов в различных областях техники.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                         COMPOSITE MATERIALS            КОМПОЗИЦИОННЫЕ
                     M. L. KERBER
                                                    МАТЕРИАЛЫ
                     Approaches for creating        е. г. дЦкЕЦк
                     composite materials based      кУТТЛИТНЛИ ıЛПЛНУ-ЪВıМУОУ„Л˜ВТНЛИ ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ
                     on different types of matri-   ЛП. С.а. еВМ‰ВОВВ‚‡
                     ces are considered in this
                     paper. The peculiarities of           ЗЗЦСЦзаЦ
                     structure and properties
                                                              Знакомство со свойствами многих материалов в
                     of various types of com-              окружающем нас мире позволяет говорить об их не-
                     posite materials in differ-           обычности. Если металлы со свойственной им вы-
                     ent areas of engineering              сокой прочностью и пластичностью, или бетон с его
                                                           высокой жесткостью и хрупкостью, или пластики с
                     are evaluated.                        их низкой прочностью и податливостью являются
                                                           для нас привычными материалами, то имеется зна-
                                                           чительная группа материалов, поражающая необыч-
                     й·ТЫК‰‡˛ЪТfl ФУ‰ıУ‰˚ Н                 ным сочетанием свойств разнородных материалов.
                     ТУБ‰‡МЛ˛ НУПФУБЛˆЛУМ-                 Так, всем хорошо известный железобетон позволяет
                     М˚ı П‡ЪВ Л‡ОУ‚ М‡ ·‡БВ                сооружать конструкции, выдерживающие большие
                                                           изгибающие нагрузки (пролеты мостов, балки, обо-
                      ‡БОЛ˜М˚ı ‚Л‰У‚ П‡Ъ-                  лочки), которые категорически противопоказаны
                      Лˆ. к‡ТТПУЪ ВМ˚ УТУ-                 исходному бетону, – он растрескивается при доста-
                     ·ВММУТЪЛ ТЪ ЫНЪЫ ˚ Л                  точно небольших изгибающих нагрузках.
                     Т‚УИТЪ‚ ‡БОЛ˜М˚ı ЪЛ-                     Если сравнить прочность двух стержней одина-
                                                           кового сечения из древесины и бамбука, то можно
                     ФУ‚ НУПФУБЛˆЛУММ˚ı П‡-                убедиться, что бамбук приблизительно в два раза
                     ЪВ Л‡ОУ‚. йˆВМЛ‚‡˛ЪТfl                 более прочен и гибок. В течение длительного време-
                     ФВ ТФВНЪЛ‚˚ Ф ЛПВМВ-                  ни эти его особенности использовали при изготов-
                                                           лении шестов для прыжков, для изготовления кора-
                     МЛfl НУПФУБЛˆЛУММ˚ı П‡-                бельных мачт и т.д. Необыкновенным сочетанием
                     ЪВ Л‡ОУ‚ ‚    ‡БОЛ˜М˚ı                прочности, жесткости и легкости характеризуются
                     У·О‡ТЪflı ЪВıМЛНЛ.                     кости животных и человека. Особенно высоки ха-
                                                           рактеристики трубчатых костей птиц, имеющих
                                                           минимальный вес. Изготовленные из любого из из-
                                                           вестных материалов подобные изделия имели бы
                                                           несравненно большую массу. Наконец, извержен-
                                                           ная вулканическая лава, обладая химическим соста-
                                                           вом достаточно хорошо известных горных пород,
                                                           характеризуется очень низкой плотностью (даже ме-
                                                           нее единицы) в сочетании с достаточной прочнос-
                                                           тью и хорошими теплоизоляционными свойствами,
                                                           предопределяющими возможность применения, на-
                                                           пример, в строительстве. Такие материалы, сочетаю-
                                                           щие в себе свойства, присущие порознь нескольким
                                                           материалам, называются обычно композиционными
                                                           материалами (КМ).
                                                              Как пишет в одной из своих работ профессор
© дВ ·В е.г., 1999




                                                           МТИ Альберт Дитц, «наука и техника, подобно ли-
                                                           тературе и искусству, имеют свои модные фразы и
                                                           штампы. Одним из самых модных в наше время яв-
                                                           ляется выражение “композиционные материалы”,
                                                           содержащее в новой форме очень старую и простую
                                                           мысль о том, что совместная работа разнородных
                                                           материалов дает эффект, равносильный созданию
                                                           нового материала, свойства которого количественно


                                                    дЦкЕЦк е.г. дйеийбасайззхЦ еДнЦкаДгх                        33


     и качественно отличаются от свойств каждого из его    лерода, пластиков и других материалов. В широком
     составляющих».                                        смысле слова практически всякий современный ма-
         Действительно, история использования челове-      териал представляет собой композицию, поскольку
     ком композиционных материалов насчитывает мно-        все материалы чрезвычайно редко применяются в
     го веков, а представление о композиционных мате-      чистейшем виде. Это создает определенные сложно-
     риалах заимствовано человеком у природы. Уже на       сти с точки зрения использования термина – он рас-
     ранних стадиях развития цивилизации человек ис-       пространяется зачастую механически на все слож-
     пользовал для строительства кирпич из глины, в        ные системы, содержащие несколько компонентов.
     которую замешивалась солома, придававшая по-          Следует подчеркнуть, что наука о композиционных
     вышенную прочность. Использование природных           материалах (раздел материаловедения) зародилась
     битумов позволило повысить водостойкость при-         недавно, на рубеже 60-х годов, и разрабатывалась
     родных материалов и изготавливать суда из камы-       главным образом для решения проблемы улучше-
     ша, пропитанного битумом. Прослеживается опре-        ния механических характеристик и жаростойкости.
     деленная аналогия между мумификацией умерших          В последние годы в связи с расширением комплекса
     с последующей обмоткой тела в виде кокона из по-      свойств, реализуемых с помощью полимерных ком-
     лос ткани и современными технологиями обмотки         позиционных материалов, значительно расшири-
     корпусов ракет, между изготовлением боевых луков      лись исследования по созданию антифрикционных
     у кочевников с использованием нескольких слоев        композиционных материалов медицинского и био-
     из дерева, рога, шелка, скрепляемых с помощью         логического назначения, газонаполненных компо-
     клея, и современными металло-дерево-тканевыми         зиционных материалов, тепло- и электропровод-
     слоистыми конструкциями, соединяемыми отверж-         ных КМ, негорючих КМ и др.
     дающимися смолами. Одним из наиболее ярких               В этой связи уместно сказать, что современное
     примеров такого рода является материал фиберглас      определение композиционных материалов предпо-
     из стеклянных волокон, скрепленных полимерным         лагает выполнение следующих условий.
     связующим, структура которого повторяет структу-
     ру бамбука, где непрерывные волокна из целлюло-          1. Композиция должна представлять собой соче-
     зы находятся в более пластичной матрице с низким      тание хотя бы двух разнородных материалов с чет-
     модулем (рис. 1).                                     кой границей раздела между фазами.
         Приведенные примеры позволяют выделить то            2. Компоненты композиции образуют ее своим
     общее, что объединяет композиционные материа-         объемным сочетанием.
     лы независимо от их происхождения, а именно все          3. Композиция должна обладать свойствами, ко-
     эти материалы являются результатом объемного со-      торых нет ни у одного из ее компонентов в отдель-
     четания разнородных компонентов, один из которых      ности.
     пластичен (связующее, матрица), а другой обладает
     высокой прочностью и жесткостью (наполнитель,
     арматура), и при этом композиции имеют свойства,      лнкмднмкД а лЗйвлнЗД
     которых не имеют отдельные составляющие.              дйеийбасайззхп еДнЦкаДгйЗ

         Ясно, что в качестве как первого, так и второго      Существующие композиционные материалы
     компонента могут выступать самые разнообразные        можно разделить на три основных класса, отличаю-
     по природе и происхождению материалы. Известны        щиеся микроструктурой: дисперсно-упрочненные,
     композиты на базе металлов, керамики, стекол, уг-     упрочненные частицами и армированные волокном.


            а                               б                            в




                                  40 мкм                        30 мкм                        0,5 мм



        Рис. 1. Микроструктура различных композиционных материалов (сечение поперек армирующих элементов):
        а – бамбук; б – стеклопластик; в – композит из меди, армированной вольфрамовой проволокой



34                                                             лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹5, 1999


Все эти материалы представляют собой матрицу из     имели достаточную длину, в этом случае прочность
какого-либо вещества или сплава, в которой рас-     сцепления с матрицей достаточно велика, чтобы
пределена вторая фаза – обычно более жесткая, чем   они могли выполнить свою основную роль армату-
матрица, которая служит для улучшения того или      ры. Совершенно естественно, что в этом случае наи-
иного свойства. В основе разделения трех упомяну-   более выгодной формой использования армирую-
тых классов композиционных материалов лежат         щей фазы является тонкое волокно: известно, что с
особенности их структуры. Для дисперсно-упроч-      уменьшением толщины волокон их прочность за-
ненных композиций характерной является микро-       метно возрастает.
структура, когда в матрице равномерно распределе-
ны мельчайшие частицы размером от 0,01 до 0,1 мкм       Как и в случае дисперсно-упрочненных систем,
в количестве от 1 до 15 об.%.                       в волокно-армированных композитах наиболее вы-
   В композициях, упрочненных частицами, размер     сокие прочностные характеристики реализуются
последних превышает 1 мкм, а содержание – 20–       при высоком содержании армирующих волокон –
25 об.%. Для структуры армированно-упрочненных      65–70% и более. Теоретически на примере полимер-
композитов характерны значительная анизодиаме-      ных композиционных материалов было показано,
тричность армирующих волокон – их диаметр ко-       что максимальное содержание армирующей фазы
леблется от долей микрона до десятков микрон, а     составляет около 88–90 об.%. Однако применение
длина – от микрон до непрерывных волокон прак-      непрерывных волокон неограниченной длины да-
тически неограниченной длины при содержании от      леко не всегда возможно с точки зрения технологи-
нескольких процентов до 70–80 об.%. В последние     ческой – слишком много ответственных изделий
годы появился еще один класс композиционных         из-за особенностей геометрии не может быть изго-
материалов – так называемые нанокомпозиты,          товлено из непрерывных волокон, да и не из всех
структура которых характеризуется включением        видов материалов удается изготовить непрерывные
второй фазы с размерами в несколько нанометров,     волокна достаточно большой длины. Было показа-
содержание которой тоже достаточно невелико.        но, что существует определенная критическая дли-
                                                    на волокна, ниже которой упрочняющий эффект
   Существенное повышение некоторых характе-
                                                    падает. Эта длина зависит от модулей и прочности
ристик, которое является важнейшим преимущест-
                                                    матрицы и волокна, величины адгезии на поверхно-
вом композиционных материалов, на практике
                                                    сти и приблизительно в 20 раз больше диаметра во-
привело в настоящее время к относительно широ-
                                                    локна. Экспериментальная проверка расчетов ос-
кому применению лишь двух групп материалов на
                                                    ложнена невозможностью получения материала с
их основе: высокопрочных и жаростойких. Коснем-
                                                    одинаковой длиной волокон и их строгой ориента-
ся их немного подробнее.
                                                    цией из-за разрушения волокон в процессе изготов-
   Природа упрочняющего эффекта в КМ связана с      ления образцов.
использованием двух материалов с различными
прочностью и модулем. Если говорить об упрочня-         Другое важнейшее направление практического
ющей роли компонентов КМ, то в общем виде этот      использования КМ – повышение жаропрочности,
эффект следует связать с появлением в материале     то есть способности сохранять высокий уровень ме-
поверхности раздела фаз и пограничных слоев, при-   ханических характеристик при повышенных темпе-
мыкающих к ней. Именно более высокие характе-       ратурах. В этом случае основная опасность, опреде-
ристики материала пограничных слоев обеспечива-     ляющая возможность применения монолитных
ют рост прочностных показателей материала, и        материалов, – разупрочнение при температурах,
именно по этой причине в дисперсно-упрочненных      значительно уступающих абсолютным температу-
композитах стремятся к использованию тонкодис-      рам плавления (для металлов), или размягчение при
персных жестких компонентов, распределенных в       температурах, также существенно меньших темпе-
более пластичной матрице. В композициях, упроч-     ратуры плавления. Все материалы такого рода могут
ненных частицами, их содержание достигает боль-     быть упрочнены волокнами, однако для этого при-
ших значений – 40–50% и более. В такой системе      годны лишь такие виды волокон, температура плав-
реализация наиболее высоких показателей достига-    ления которых значительно выше температуры плав-
ется при условии хорошего контакта (смачивания)     ления матрицы. Однако и в этом случае далеко не
на поверхности раздела. Вместе с тем возможность    всегда можно использовать комбинацию волокно–
химического взаимодействия на поверхности и в       матрица. Для всех такого рода материалов необхо-
пограничном слое, особенно в условиях эксплуата-    димо учитывать способность к химическому взаи-
ции, нежелательна, так как это может привести к     модействию при высоких температурах, величину
утрате упрочняющего эффекта.                        деформации при разрушении каждого из компо-
   Для достижения максимального упрочняющего        нентов, а также величину времени до разрушения
эффекта более прочный компонент должен играть       или величину относительного удлинения при раз-
роль усиливающей, упрочняющей структуры. Для        рушении каждого из компонентов в процессе жаро-
этого необходимо, чтобы упрочняющие элементы        прочных испытаний под нагрузкой.


дЦкЕЦк е.г. дйеийбасайззхЦ еДнЦкаДгх                                                                     35


        В табл. 1, 2 приведены характеристики различ-                                                                                  Таблица 2. Свойства матричных металлов и сплавов
     ных матричных материалов для получения волокон-




                                                                                                                                                                                                   растяжении, кгс/мм2
     ных композиционных материалов, а также данные о
     свойствах наиболее употребительных волокон. Сле-




                                                                                                                                                                         Плотность, г/см3




                                                                                                                                                                                                                             Е Ч 10− 3, кгс/мм2
                                                                                                                                                                                                   Прочность при




                                                                                                                                                                                                                             Модуль Юнга,
     дует подчеркнуть, что для жаропрочных материалов
     в качестве волокон наибольший интерес представ-                                                                                         Материал
     ляют собой нитевидные кристаллы различного со-
     става и поликристаллические керамические волок-
     на. Наряду с ними широкое применение находят
     также металлические волокна (проволоки) из спла-
     вов и благородных металлов (рис. 2).                                                                                              Al термообработанный              2,70                           32                      7,0
                                                                                                                                       Al отожженный                     2,70                           13                     7,0
     Таблица 1. Свойства армирующих волокон                                                                                            Ag                                10,5                           20                      –
                                                                                                                                       Ti + 6Al + 4V                     4,43                           45                    11,3
                                                              при растяжении, кгс/мм2




                                                                                                               Типичная толщина, мкм   Cu                                 8,7                           20                     1,1
                                                                                        Модуль Юнга Ч10− 3,
                                                              Предел прочности
                                           Плотность, г/см3
                       размягчения, °C




                                                                                                                                          Создание композиционных материалов, армиро-
                       плавления или




       Тип волокон                                                                                                                     ванных нитевидными монокристаллами (“усами”1),
                       Температура




                                                                                                                                       затруднено необходимостью создания условий для
                                                                                        кгс/мм2




                                                                                                                                       равномерного распределения этих тончайших и
                                                                                                                                       весьма хрупких волокон в матрице из металла или
                                                                                                                                       керамики. При этом нитевидные волокна должны
                     Непрерывные стеклянные                                                                                            укладываться определенным образом, чтобы не со-
                                                                                                                                       здавались препятствия для реализации прочности
     Е-стекло               700            2,55                     350                       73,5                   10                каждого из них.
     S-стекло               840            2,50                     455                       88,2                   10
                                                                                                                                       1
     4H-1                   900            2,66                     511                   101,5                   –                     “Усы” (wiskers) – иглообразные нитевидные высоко-
     SiO2                 1660             2,19                     595                       33,2                   35                прочные монокристаллы металлов, окислов, карбидов и
                                                                                                                                       др. с большим отношением длины к диаметру (>20–25).
                      Поликристаллические                                                                                              Механические свойства усов близки к теоретически рас-
     Al2O3                2040             3,15                     210                   175                     –                    считанным для совершенных кристаллов (см. табл. 1).
                                                                                                                                       Кроме собственно усов для армирования используют так-
     ZrO2                 2650             4,84                     210                   350                     –                    же вискеризованные волокна – тонкие волокна, поверх-
     Углерод/графит       3650             1,50                     245                   210                                   5      ность которых покрыта усами относительно небольшой
                                                                                                                                       длины.
     BN                   2980             1,90                     140                       91                                7
                            Металлические
                                                                                                                                               Проволочная подкладка                                                  Очень тонкие
     W                    3400            19,4                      406                   413                        13                                                                                               усы (~ 1 мкм)
     Mo                   2620            10,2                      224                   364                        25                                                                                          Микрокварц

     Рене 41              1350             8,26                     203                   168                        25                                                                                      Проволочки Тейлора
                                                                                                                                                                                                               Сверхтонкие
     Сталь                1400             7,74                     420                   203                        13                    Осажденные из пара волокна
                                                                                                                                                                                                                проволочки
                                                                                                                                                                                                           (пучковое волочение)
     Be                   1280             1,83                     129                   245                  127                            B, B4C, SiC, TiB2 и т.д.
                                                                                                                                                                                                           Волокна углерода
                                                                                                                                                   (∅ 125 мкм)
                                         Усы                                                                                                                                                        Волокна боразона

                             Керамические
     Al2O3                2040             3,96               2100                        434                 3–10
                                                                                                                                                                                                                           Тонкие усы
     BeO                  2570             2,85               1330                        350                 10–30
     B4C                  2450             2,54               1400                        490                     –
                                                                                                                                                                                                                         Стеклянные
     SiC                  2690             3,18               2100                        490                 1–3                                                                                                        и текстильные
                                                                                                                                           Непрерывное                                                                   волокна
     Графит               3650             1,66               1991                        425                     –                        волокно                                                                       (∅ ~ 10 мкм)
                                                                                                                                           Короткое
                            Металлические                                                                                                  волокно                                          Тонкие проволочки (∅ 25 мкм)
                                                                                                                                                                                            и грубые усы
     Cr                   1890             7,20                     903                   245                     –
     Cu                   1083             8,92                     299                   126                     –
     Fe                   1540             7,83               1330                        203                     –
                                                                                                                                           Рис. 2. Относительная площадь и форма сечений
     Ni                   1455             8,98                     392                   217                     –                        некоторых видов армирующих волокон



36                                                                                                                                         лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹5, 1999


имна ийгмуЦзаь                                        зиционных материалах связан с повышением со-
дйеийбасайззхп еДнЦкаДгйЗ                             противляемости матрицы деформациям под дейст-
                                                      вием нагрузок. Величина возрастания прочностных
    Здесь мы вплотную подходим к важнейшей про-
                                                      характеристик относительно невелика. Однако боль-
блеме создания композиционных материалов – тех-
                                                      шую ценность этим материалам придает их способ-
нологии получения материала и изделия из него.
                                                      ность работать при повышенных (по сравнению с
При этом надо иметь в виду, что в подавляющем
                                                      металлами) рабочих температурах, превышающих
большинстве случаев материал как таковой особого
                                                      половину абсолютной температуры плавления или
интереса не представляет, так как он не может обра-
                                                      фазового превращения. Для композиционных ма-
батываться методами механической обработки –
                                                      териалов на основе металлических матриц наиболь-
это ведет к утрате им или значительной части, или
                                                      шее распространение получили методы порошко-
же всех его преимуществ. Поэтому, как правило, со-
                                                      вой металлургии, электрохимические, окислением
здается технология, ориентированная на изготовле-
                                                      или восстановлением, кристаллизацией из распла-
ние определенных типов изделий: корпусов двига-
                                                      ва (Мо–TiC). Некоторые из таких композиционных
телей, турбинных насадок, профилей переменного
                                                      материалов обладают интересными свойствами.
сечения.
                                                      Так, композиционный материал на основе меди и
    В зависимости от особенностей свойств матрич-     окиси бериллия сохраняет более 80% электричес-
ных материалов разработано значительное число         кой проводимости при комнатной температуре да-
различных технологических приемов, позволяю-          же после 2000 ч выдержки при 850°С, будучи при
щих изготовить достаточно широкий круг изделий.       этом более прочным, чем медь и ряд ее сплавов.
Подробности таких процессов мало освещаются в         При восстановлении окиси никеля, содержащего
научной и технической литературе, так как являют-     дисперсную двуокись тория (3%), получается мате-
ся плодом длительных исследований и стоят очень       риал, известный под названием TD-никель, который
дорого, обеспечивая прорыв в развитии наукоемких      обладает значительно более высокой длительной
оборонных отраслей, таких, как аэрокосмическая,       прочностью при температуре 1090°С по сравнению
производство вооружений, средств обороны и за-        со сверхпрочными сплавами никеля (инконель и
щиты. Описание некоторых технологических прие-        хастеллой).
мов получения КМ описано в [1]. Для иллюстрации
многообразия используемых подходов укажем лишь           Наиболее многочисленными по количеству и
важнейшие из них.                                     разнообразию свойств являются композиционные
    Если исходить из предложенной ранее класси-       материалы, упрочнение которых достигается благо-
фикации, то следует начать с так называемых нано-     даря использованию частиц или волокон [2, 3]. К
композитов, в которых содержание одной из фаз         первым относятся неорганические порошковые
составляет от долей до нескольких процентов, а раз-   композиции, многочисленные и разнообразные ке-
меры имеют порядок 10–100 нм. Столь малых раз-        рамические материалы, а также полимерные мате-
меров частиц удается достигнуть главным образом       риалы (термопласты и реактопласты), наполнен-
в результате химического выделения (чаще всего        ные разнообразными дисперсными наполнителями
восстановления) из их соединений с другими эле-       (слюдой, тальком, мелом и т.п.). При достаточно
ментами, в частности из металлоорганических про-      высоком содержании дисперсной фазы, достигаю-
изводных. Совершенно естественно, что в подоб-        щем 30–40 об.%, в формировании свойств таких
ных системах об упрочнении не может быть и речи.      композитов решающее значение приобретают как
Вместе с тем введение таких количеств металлов        особенности деформационного поведения каждого
оказывается достаточным, чтобы существенно из-        из компонентов, так и характер взаимодействия на
менить важные физические свойства, такие, напри-      поверхности раздела фаз. Для изготовления мате-
мер, как каталитическая активность в химических       риалов на основе металлических матриц наиболее
реакциях, магнитные и электромагнитные свойст-        широкое распространение получили процессы про-
ва. Ограниченный круг материалов, разработка ко-      питки (Cu–W, Mo–Cu, Ni–Ag), предварительного
торых пока еще не вышла за лабораторные рамки,        компактирования смесей порошков с последующим
не позволяет привести сведения о практических пу-     твердофазным (Ag-графит, Cu–Fe) или жидкофаз-
тях их получения.                                     ным (W–Ni–Cu, W–Ni–Fe, Ti–SiC–Ni) спеканием.
    К группе дисперсно-упрочненных композиций            В основе получения таких материалов на базе ке-
относятся главным образом материалы на основе         рамических матриц лежит процесс изменения фазо-
металлических матриц, где в качестве дисперсных       вого состояния многочисленных систем в результа-
частиц выступают окислы (например, SiO2 , Al2O3 в     те образования центров кристаллизации и роста
медной матрице), а также на основе некоторых си-      кристаллов, роста зерен, твердо- и жидкофазного
ликатных матриц. Из-за близости формы дисперс-        спекания. Подбором соответствующих условий на-
ных частиц к сферической анизотропии свойств в        грева, термообработки, отжига можно регулировать
материалах практически не возникает. Основной         изменения структуры и свойств керамических
механизм упрочняющего действия в таких компо-         композиционных материалов в широких пределах.


дЦкЕЦк е.г. дйеийбасайззхЦ еДнЦкаДгх                                                                       37


     Основные преимущества их связаны с высокими         кой хрупкости не допускают пластического дефор-
     температурами эксплуатации (что характерно для      мирования матрицы, тогда как более пластичные
     керамики) при одновременном значительном по-        волокна и усы из металлов допускают возможность
     вышении прочностных свойств. Материалы на ке-       переформирования заготовок. Из-за плохого сма-
     рамических матрицах готовятся путем смешения        чивания металлами и с целью уменьшения опасно-
     компонентов в различных установках с последую-      сти преждевременного разрушения керамические
     щим формованием заготовок путем уплотнения,         волокна и усы иногда покрывают пленкой из метал-
     литья и др. Однако важнейшим этапом формирова-      ла (через расплав или из газовой фазы). Как уже от-
     ния структуры таких материалов является термиче-    мечалось, использование очень тонких волокон и
     ская обработка, часто весьма продолжительная. При   усов позволяет достигать наиболее высоких показа-
     использовании полимерных матриц основной путь –     телей прочности КМ, однако необходимость пре-
     это интенсивное смешение в расплаве с последую-     дотвращения из разрушения на всех промежуточ-
     щей грануляцией.                                    ных стадиях и придания им ориентации создает
        В упрочненных частицами КМ коэффициент           очень большие трудности в технологическом плане.
     возрастания прочности достаточно велик (от 2 до
                                                            Как правило, все процессы включают предвари-
     25), а высокотемпературная стабильность зависит
                                                         тельное получение заготовок, которые потом пре-
     от характера изменения свойств дисперсной фазы
                                                         вращаются в изделия или полуфабрикаты путем их
     при высоких температурах. Как и в случае дисперс-
                                                         опрессовки, прокатки, протяжки через фильеру,
     но-упрочненных материалов, их свойства, как пра-
                                                         диффузионной сварки и др. К числу наиболее осво-
     вило, изотропны; появление анизотропии может
                                                         енных методов их получения относятся пропитка
     быть связано с вытянутой формой частиц некоторых
     дисперсных материалов. В связи с ростом поверхно-
     сти раздела в формировании прочностных свойств
     существенно возрастает роль межфазного взаимо-
     действия. Основной эффект повышения прочности
     в этих КМ достигается в результате уменьшения
     способности к пластической деформации относи-
     тельно более подвижной матрицы, при этом проч-
     ность возрастает с уменьшением доли матрицы.
        Наиболее обширную и разнообразную по свое-
     му составу группу составляют КМ, армированные
     волокнами. Это объясняется тем, что в композитах
     этого типа удается реализовать наиболее высокие
     прочностные и термические характеристики, так
     как именно использование волокон дает наиболь-
     ший упрочняющий эффект. Для этой группы КМ и
     теоретические представления разработаны наибо-
     лее полно, и практическая реализация, несмотря на
     очень значительные технологические трудности,
     продвинута наиболее существенно.
        Не касаясь материалов на основе углеродных ма-
     триц, где работы еще только начинают разворачи-
     ваться, и полимерных композитов, свойства которых
     подробно описаны в одной из статей, уже опубли-
     кованной в “Соросовском Образовательном Жур-
     нале” [4], ограничимся тремя важнейшими видами
     таких КМ.
        К числу наиболее универсальных видов КМ сле-
     дует отнести армированные волокнами металлы –
     они позволяют существенно повысить и прочность,
     и жаростойкость. Для эффективного упрочнения
     волокно должно быть прочнее и жестче матрицы,
     которая в этом случае передает нагрузку на более
     прочное волокно. Используемые для этих целей во-
     локна в значительной степени предопределяют воз-
                                                            Рис. 3. Последовательные стадии превращения
     можные методы получения КМ и изделий из них:           сферических частиц армирующей фазы в волокна
     керамические волокна и волокна из окислов (усы         в процессе деформирования (например, при экс-
     окислов, боридов, карбидов, нитридов) из-за высо-      трузии или прокатке)



38                                                          лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹5, 1999


пучков волокон расплавами металлов, электро-           Таблица 3. Свойства некоторых армированных
осаждение (или осаждение из паров), смешение с         волокнами металлов
порошком металла (с последующим прессованием




                                                                                                                         Прочность/плотность
или спеканием) (рис. 3).




                                                                                                   растяжении, кгс/мм2
    Для получения слоистых заготовок иногда волок-
на (особенно непрерывные) наматывают на оправку,




                                                                                                   Прочность при
укладывают в специальные канавки в фольге,              Матрица     Волокно




                                                                                     Содержание
скрепляют летучим клеем – с последующей горячей




                                                                                     волокна, %




                                                                                                                         σ / ρ, 10 км
прокаткой или прессованием. При этом удается до-
стигнуть высоких значений прочности и работоспо-
собности при повышенных температурах. Так, в
композите из серебра с 24% усов Al2O3 предел теку-
чести (162 кг/мм2) в 30 раз превышает предел теку-         Al        SiO2              47              91                 3,75
чести серебра и в два раза выше этого показателя у                   Al2O3             35          112,7                   3,55
других упрочненных материалов на основе серебра.                     Al2O3             10            3,6                   1,17
Этот же материал при температуре на 20°С ниже
                                                                     B                 10           30,1                   1,13
температуры плавления серебра сохраняет проч-
ность 58 кгс/мм2, что соответствует нагрузке на усы                  B4C               10           20,3                   0,76
в пределах 40–60% их прочности.                            Ni        B                  8          268,8                   3,67
                                                                     Al 2 O *
                                                                            3          19          119,7                   1,50
   В настоящее время описан достаточно широкий
круг таких материалов на алюминиевых, титано-                        W                 40          112,7                   0,86
вых, железных, нихромовых и других матрицах с              Ag               *
                                                                     Al 2 O 3          24          162,4                   0,18
использованием как металлических, так и оксид-                              *
                                                                     Si 3 O 4          15           28,0                   0,03
ных армирующих волокон (табл. 3, 4). Для оценки                      Mo*               20           67,2                   0,11
ожидаемой прочности таких КМ широко использу-              Cu        W                 77          178,5                   0,10
ется уравнение смесей (σКМ , σВОЛ , σМ – прочности
соответственно композиционного материала, во-          * Короткие волокна или усы.
локон, матрицы; VВОЛ , VМ – объемные доли воло-
кон и матрицы)                                            Для эвтектического сплава Ni–NbC (11 об.%)
              σКМ = σВОЛVВОЛ + σМVМ .                  средняя прочность волокон 586 кгс/мм2, эти же во-
                                                       локна, выделенные путем растворения матрицы,
   Однако это правомерно для случая непрерыв-          обладали прочностью 1030 кгс/мм2, что свидетель-
ных волокон. В случае коротких волокон имеют ме-       ствует о высоком совершенстве нитевидных крис-
сто отклонения, даже если средняя длина волокон        таллов, формирующихся в процессе направленной
выше критической (обычно l / d 20). Это связано с      кристаллизации эвтектики (рис. 4). К преимуще-
недостаточным сцеплением с матрицей, разбросом         ствам таких КМ следует отнести простоту их изго-
в длинах волокон, неоднородностью в ориентации
волокон. Поэтому даже при l / d = 400 не удается до-
стигнуть прочностных показателей КМ с непре-
рывными волокнами.
   Вторым видом волокноупрочненных КМ с ме-
таллической матрицей являются направленно за-
кристаллизованные эвтектические сплавы. При ох-
лаждении жидкостей определенного состава может
идти кристаллизация с образованием двух фаз. Если
при этом удается создать плоский фронт кристал-
лизации, то возникает упорядоченная ориентиро-
ванная микроструктура. Практически это один из
путей формирования нитевидных кристаллов (типа
усов) непосредственно в матрице. Такие композиты
получены, в частности, из меди и хрома, алюминия                                                  1 мкм
и никеля, меди и вольфрама. В последнем случае
была достигнута прочность 175 кг/мм2. Металлогра-
фические исследования показали, что процесс раз-
                                                          Рис. 4. Торец направленно-кристаллизованного
рушения в таких композитах начинается с разруше-          эвтектического сплава TaC–(Co + Ni–Cr), протрав-
ния усов – это свидетельствует о высокой прочности        ленный после кристаллизации. Видны монокрис-
связи на поверхности раздела.                             таллические нитевидные волокна TaC



дЦкЕЦк е.г. дйеийбасайззхЦ еДнЦкаДгх                                                                                                           39


     Таблица 4. Свойства композиционных материалов с матрицей Ti + 6Al + 4V, армированных бериллиевой проволокой

                                             Проволока                            Композиционный материал
       Способ получения КМ                                   прочность,  состав    прочность КМ, модуль Юнга
                                    состав         диаметр
                                                              кгс/мм2 волокна в КМ    кгс/мм2    Е Ч 10− 6, кгс/мм2
     Горячее вакуумное прессо-
     вание
         проволока + лист      Хим. чист.            1,5        65           50            70               19,5
         проволока и фольга    Хим. чист.            1,5        65           50            81               21,2
         проволока и фольга    Металл + 0,2% BeO     0,5        98           43            94               18,4
     Совместная экструзия            То же           0,95       60           38            81               17,2
     и прокатка
     Совместная экструзия            То же           0,95       60            0            77               18,3


     товления – нет необходимости отдельного изго-               бДдгыуЦзаЦ
     товления усов, исчезают трудности, связанные с их
                                                                     Приведенные примеры композиционных мате-
     использованием. Высокие значения прочности свя-
                                                                 риалов на различных матрицах свидетельствуют о
     зи на поверхности раздела, отсутствие окисных слоев
                                                                 возможности реализации в них чрезвычайно инте-
     обеспечивают высокую термическую устойчивость –             ресных сочетаний важнейших эксплуатационных
     возможность длительной работы при повышенных                характеристик – высокой прочности, включая диа-
     температурах. Однако для таких КМ характерно                пазон высоких температур, жаростойкости, устало-
     постоянство объемной доли эвтектической фазы,               стной прочности и др. Уже сейчас на керамических
     что делает невозможным воздействие на свойства              матрицах рабочие температуры могут достигать
     путем изменения состава. Кроме того, для реализа-           1600°С, на металлических – до 1370°С. Увеличение
     ции плоского фронта кристаллизации необходимо               рабочих температур в двигателях приводит к умень-
     использовать высокочистые вещества, так как при-            шению их размеров, росту мощности и снижению
     меси этому препятствуют.                                    стоимости эксплуатации. Вместе с тем, как это вид-
                                                                 но из данных табл. 3, применение для армирования
        Наконец, несколько слов следует сказать о КМ             таких волокнистых материалов, как углеродное во-
     на основе керамики, армированной волокнами. Ке-             локно, окисные волокна и усы, карбиды и другие
     рамика характеризуется низкой прочностью при                материалы с низкой плотностью, позволяет реали-
     растяжении в сочетании с высоким модулем Юнга,              зовать в композитах значительное снижение массы
     низкой ударной вязкостью. При высоких темпера-              деталей при сохранении ими неизменной прочнос-
     турах одной из причин выхода из строя изделий из            ти. Это предопределило тот факт, что наибольшие
     керамики является растрескивание. Это создает               успехи в практическом использовании КМ достиг-
     большие трудности при армировании ее волокна-               нуты в аэрокосмической технике (сопловые блоки
                                                                 ракет, носовые конуса), производстве газотурбинных
     ми, поскольку недостаточное удлинение матрицы
                                                                 двигателей (лопатки турбин), вертолетостроении.
     препятствует передаче нагрузки на волокно. Поэто-           Уже сейчас КМ широко применяются в строительст-
     му волокна должны иметь еще более высокий мо-               ве скоростных автомобилей, корпусов экстремаль-
     дуль, чем матрица. Ассортимент таких волокон ог-            ных яхт и гоночных судов, спортивного инвентаря и
     раничен, поэтому в этих целях часто используют              т.п. В настоящее время важнейшими факторами,
     металлические волокна. Как и предполагалось, со-            сдерживающими применение большинства КМ,
     противление растяжению растет при этом незначи-             являются высокая стоимость армирующих воло-
     тельно, но существенно повышается сопротивле-               кон, в первую очередь нитевидных монокристал-
     ние тепловым ударам. При этом в зависимости от              лов, а также серьезные проблемы технологического
     соотношения коэффициента термического расши-                характера, затрудняющие высокую степень реали-
     рения матрицы и волокна возможны случаи, когда              зации прочности армирующих волокон в деталях из
     прочность падает [5].                                       композиционных материалов.
                                                                    Поэтому основные усилия исследователей и
        Материалы такого рода готовятся методами горя-           производственников направлены на разработку эф-
     чего прессования (таблетирование с последующим              фективных, технологичных и экономичных методов
     спеканием под давлением) или методом шликерного             получения армирующих волокон, а также на совер-
     литья, когда волокна заливаются суспензией мат-             шенствование технологических процессов изготов-
     ричного материала, которая после сушки также                ления материалов и изделий. Успешное решение
     подвергается спеканию.                                      этих проблем позволит надеяться, что преимущест-


40                                                                   лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹5, 1999


ва, связанные с использованием КМ, будут успеш-                 6. Достижения в области композиционных материа-
но реализованы в самом широком ассортименте                     лов: Пер. с англ. / Под. ред. Дж. Пиатти. М.: Метал-
изделий, с которыми нам приходится иметь дело                   лургия, 1982. 304 с.
постоянно.                                                      7. Цирлин Н.К. Непрерывные неорганические волокна
                                                                для композиционных материалов. М.: Металлургия,
ганЦкДнмкД                                                      1992. 206 с.

   1. Волоконные композиционные материалы: Пер. с
   англ. / Под ред. Дж. Уиктна, Э.Скала. М.: Металлур-                               * * *
   гия, 1978. 240 с.
   2. Современные композиционные материалы: Пер. с              Михаил Леонидович Кербер, доктор химических
   англ. / Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. М.: Мир, 1970.   наук, профессор кафедры технологии переработки
   672 с.
                                                             пластмасс факультета химической технологии по-
   3. Углеродные волокна и углекомпозиты: Пер. с англ.       лимеров Российского химико-технологического
   / Под ред. Э. Фитцера. М.: Мир, 1988. 336 с.
                                                             университета им. Д.И. Менделеева. Область науч-
   4. Берлин Ал.Ал. Современные полимерные компози-          ных интересов – физическая химия полимеров и
   ционные материалы (ПМК) // Соросовский Образо-
   вательный Журнал. 1995. № 1. С. 57–65.                    композиционных материалов, разработка новых
   5. Справочник по композиционным материалам: В 2
                                                             полимерных материалов и новых методов их пере-
   кн.: Пер. с англ.: / Под ред. Дж. Любина. М.: Машино-     работки. Автор более 300 статей и изобретений,
   строение, 1988. Кн. 1. 448 с.; Кн. 2. 584 с.              одной монографии и пяти учебных пособий.




дЦкЕЦк е.г. дйеийбасайззхЦ еДнЦкаДгх                                                                                   41



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика